一种三维MXene基载体的析氢催化剂的制备方法
阅读说明：本技术 一种三维MXene基载体的析氢催化剂的制备方法 (Preparation method of three-dimensional MXene-based carrier hydrogen evolution catalyst ) 是由 徐晨曦 王冉冉 常周 方中威 于 2020-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三维MXene基载体的析氢催化剂的制备方法,利用三维MXene基材料作为碱性条件下电解水析氢反应催化剂载体,并负载催化活性颗粒,从而制备三维结构催化剂。相比于传统的贵金属催化剂如(Pt/C)催化剂,本发明制备的新型催化剂,表现出更好的电催化活性和稳定性。(The invention discloses a preparation method of a three-dimensional MXene-based catalyst for hydrogen evolution reaction, which utilizes a three-dimensional MXene-based material as a catalyst carrier for the electrolysis water hydrogen evolution reaction under an alkaline condition and loads catalytic active particles so as to prepare the three-dimensional catalyst. Compared with the traditional noble metal catalyst such as (Pt/C) catalyst, the novel catalyst prepared by the invention has better electrocatalytic activity and stability.)
技术领域
本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种三维MXene基载体的析氢催化剂的制备方法。
背景技术
电解水制氢是一种清洁高效的制氢技术，其制备条件温和，对设备要求低且制得的氢气纯度可达到99.99％，具有很高的经济效益和社会效益。与其他的制氢方法相比较，电解水制氢利用清洁的水作为反应的原料，制备方式绿色环保，因此被公认为是可持续生产氢气的方法。因此，电解水制氢技术将成为未来制氢工业的核心技术。
贵金属材料如铂、钯等是目前催化性能最佳、最符合的析氢催化剂，但由于其地壳储量少，价格昂贵，不能够大规模的应用于工业制氢中。目前，研究工作者正致力于寻找结构更新颖、催化活性更高、电化学性能更稳定的电解水析氢反应催化剂。因此，研究结构稳定、能高效率的催化反应进行的电解水析氢反应催化剂是电解水制氢的重要发展趋势。
发明内容
本发明旨在提供一种三维MXene基载体的析氢催化剂的制备方法，通过使用新型的三维MXene基复合载体负载催化剂活性颗粒，合成氢析出催化剂。这种载体具有三维结构，具有大的比表面积和更多的催化剂活性颗粒附着位点，比传统的炭黑做催化剂载体更具有优势。用这种载体制备的催化剂有更高的催化活性、更好的电化学稳定性。
本发明三维MXene基载体的析氢催化剂的制备方法，是使用MXene与碳材料复合作为碱性条件下电解水析氢反应的催化剂载体，随后负载催化剂活性颗粒，即可获得新型载体析氢催化剂，以提高其催化活性及稳定性。具体包括如下步骤：
步骤1：将0.1～20份的MXene加入1～20份的溶剂中，超声分散均匀获得MXene分散液；
步骤2：将0.1～20份的碳材料加入1～20份的溶剂中，超声分散均匀获得碳材料分散液；
步骤3：将步骤1获得的MXene分散液与步骤2获得的碳材料分散液混合并超声分散均匀，转移至水热反应釜中，通入氮气0.5-5小时，随后进行水热反应，反应结束后冷却并洗涤若干次，冷冻干燥12小时，获得MXene-碳材料三维复合载体；
步骤4：将0.1～40份步骤3获得的MXene-碳材料三维复合载体分散到1～40份溶剂中，超声分散0.1-20小时；
步骤5：按照催化活性颗粒的质量为催化剂总质量1～60％的比例计算出所需催化剂活性颗粒前驱体的量，在溶剂中超声分散均匀后加入到步骤4获得的分散液中；
步骤6：向步骤5获得的混合分散液中滴加还原剂溶液，滴加完成后用去离子水洗涤，随后置于真空干燥箱中真空干燥0.5小时以上，即可得到三维MXene基载体的析氢催化剂。
本发明的制备过程中，各原料按质量份数构成如下：
所述MXene为Ti3C2、Ti2C、Nb3C2、Nb2C、TiNbC、Cr2TiC、Ti3CN、Ti4N3、Ta4C3、V2C、Mo2C或MoTiC2。
所述碳材料为氧化石墨烯(GO)、石墨烯、碳纳米管(CNT)或活性炭。
所述催化剂活性颗粒前驱体为H2PtCl6·6H2O、PdCl2、Na2PdCl4、K2PdCl6、NiCl2、CoCl2、CuCl2、ZnCl2中的任一种。
所述还原剂为NaBH4、水合肼、LiBH4、甲醛中的任一种。
所述溶剂为去离子水、乙二醇中的任一种。上述溶剂的质量份数是指制备过程中使用的溶剂总量。
进一步地，所述MXene与碳材料的混合溶液中两者的质量比为0.1～10：0.1～10。
进一步地，步骤3中，水热反应的反应温度为80～160℃，反应时间为1～10小时。
进一步地，所述还原剂与催化剂活性颗粒前驱体的质量比为1～20:1。
本发明的有益效果体现在：
本发明通过MXene和碳材料在高温水热下的复合制备具有三维结构的新材料，用作电解水析氢反应催化剂的载体。这种载体具有相互连通的孔洞，是多孔状的三维结构。利用这种新型载体制备出的析氢催化剂，相比于传统的Pt/C催化剂，有着更好的电催化性能和电化学稳定性。
附图说明
图1是Ti3C2Tx-GO三维复合载体的微观形貌图。
图2是Pt颗粒负载在Ti3C2Tx-GO三维复合载体上获得的催化剂在1M KOH溶液环境下的催化析氢极化曲线。
图3是Pt颗粒负载在Ti3C2Tx-GO三维复合载体上获得的催化剂在1M KOH溶液环境下25000s恒电流稳定性测试。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案与优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例中三维MXene基载体的析氢催化剂，原料为：MXene40mg，GO40mg，催化剂活性颗粒前驱体80mg，还原剂240mg，溶剂120mg。
其中，所述MXene为Ti3C2Tx，所述碳材料为GO，所述催化剂活性颗粒前驱体为H2PtCl6·6H2O，所述还原剂为NaBH4，所述溶剂为去离子水。
本实施例中三维MXene基载体的析氢催化剂的制备方法，包含如下操作步骤：
(1)称取40mg的Ti3C2Tx在20mg的去离子水中超声分散30分钟；
(2)称取40mg的GO在20mg的去离子水中超声分散30分钟；
(3)将Ti3C2Tx分散液与GO分散液混合，得到的混合分散液在超声机中超声1小时，随后将混合分散液转移至水热反应釜中，通入氮气0.5小时，之后在烘箱中100℃水热反应3小时；
(4)水热反应之后的反应物于-60℃冷冻干燥12小时，即得三维Ti3C2Tx基载体；
(5)称取80mg三维Ti3C2Tx基载体分散在80ml去离子水中，超声均匀后加入80mgH2PtCl6·6H2O；
(6)加入240mgNaBH4，待气泡完全消失后，用去离子水离心洗涤6次，对洗涤后的样品进行抽滤，将抽滤之后得到的滤饼在真空干燥箱中于60℃烘干12小时，即得三维Ti3C2Tx基载体的Pt/Ti3C2Tx-GO析氢催化剂。
随后，在3ml的离心管中加入450μL去离子水、500μL异丙醇、50μL Nafion膜混合溶液，称取5.0mg催化剂粉末，将其加入到装有上述溶液的离心管中，在超声机中超声来得到分散均匀的电催化剂浆料。Ti3C2Tx与GO在水热反应后形成多孔状的三维结构，两组分相互重叠或聚结导致骨架的物理交联位点的形成。三维Pt/Ti3C2Tx-GO催化剂在10mA cm-2下表现出58mV的过电位，远低于商用Pt/C(86mV)的过电位。并且该三维催化剂在10mA cm-2的恒电流作用下运行25000s后，过电位下降仅为21mV，展现出良好的稳定性。
实施例2：
本实施例中三维MXene基载体的析氢催化剂，原料为：MXene40mg，GO 40mg，催化剂活性颗粒前驱体80mg，还原剂240mg，溶剂120mg。
其中，所述MXene为Ti3C2Tx，所述碳材料为GO，所述催化剂活性颗粒前驱体为H2PtCl6·6H2O，所述还原剂为NaBH4，所述溶剂为去离子水。
本实施例中三维MXene基载体的析氢催化剂的制备方法，包含如下操作步骤：
(1)称取40mg的Ti3C2Tx在20mg的去离子水中超声分散30分钟；
(2)称取40mg的GO在20mg的去离子水中超声分散30分钟；
(3)将Ti3C2Tx分散液与GO分散液混合，得到的混合分散液在超声机中超声1小时，随后将混合分散液转移至水热反应釜中，通入氮气0.5小时，之后在烘箱中80℃水热反应4小时；
(4)水热反应之后的反应物于-60℃冷冻干燥12小时，即得三维Ti3C2Tx基载体；
(5)称取80mg三维Ti3C2Tx基载体分散在80ml去离子水中，超声均匀后加入80mgH2PtCl6·6H2O；
(6)加入240mg NaBH4，待气泡完全消失后，用去离子水离心洗涤6次，对洗涤后的样品进行抽滤，将抽滤之后得到的滤饼在真空干燥箱中于60℃烘干12小时，即得三维Ti3C2Tx基载体的Pt/Ti3C2Tx-GO析氢催化剂。
随后，在3ml的离心管中加入450μL去离子水、500μL异丙醇、50μL Nafion膜混合溶液，称取5.0mg催化剂粉末，将其加入到装有上述溶液的离心管中，在超声机中超声来得到分散均匀的电催化剂浆料。Ti3C2Tx与GO在水热反应后形成多孔状的三维结构，两组分相互重叠或聚结导致骨架的物理交联位点的形成。三维Pt/Ti3C2Tx-GO催化剂在10mA cm-2下表现出89mV的过电位，展现出良好的电催化性能。
实施例3：
本实施例中三维MXene基载体的析氢催化剂，原料为：MXene40mg，GO 40mg，催化剂活性颗粒前驱体80mg，还原剂240mg，溶剂120mg。
其中，所述MXene为Ti3C2Tx，所述碳材料为GO，所述催化剂活性颗粒前驱体为H2PtCl6·6H2O，所述还原剂为NaBH4，所述溶剂为去离子水。
本实施例中三维MXene基载体的析氢催化剂的制备方法，包含如下操作步骤：
(1)称取40mg的Ti3C2Tx在20mg的去离子水中超声分散30分钟；
(2)称取40mg的GO在20mg的去离子水中超声分散30分钟；
(3)将Ti3C2Tx分散液与GO分散液混合，得到的混合分散液在超声机中超声1小时，随后将混合分散液转移至水热反应釜中，通入氮气0.5小时，之后在烘箱中100℃水热反应4小时；
(4)水热反应之后的反应物于-60℃冷冻干燥12小时，即得三维Ti3C2Tx基载体；
(5)称取80mg三维Ti3C2Tx基载体分散在80ml去离子水中，超声均匀后加入80mgH2PtCl6·6H2O；
(6)加入240mg NaBH4，待气泡完全消失后，用去离子水离心洗涤6次，对洗涤后的样品进行抽滤，将抽滤之后得到的滤饼在真空干燥箱中于60℃烘干12小时，即得三维Ti3C2Tx基载体的Pt/Ti3C2Tx-GO析氢催化剂。
随后，在3ml的离心管中加入450μL去离子水、500μL异丙醇、50μL Nafion膜混合溶液，称取5.0mg催化剂粉末，将其加入到装有上述溶液的离心管中，在超声机中超声来得到分散均匀的电催化剂浆料。Ti3C2Tx与GO在水热反应后形成多孔状的三维结构，两组分相互重叠或聚结导致骨架的物理交联位点的形成。三维Pt/Ti3C2Tx-GO催化剂在10mA cm-2下表现出74mV的过电位，展现出良好的电催化性能。